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浅谈生物质锅炉氮氧化物排放控制技术

来源:      发布日期:2022-08-17      浏览次数:

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在社会经济蓬勃发展的同时,生态环境污染情况越来越严重,给人们身体健康带来危害。在所有污染物中氮氧化物是大气的主要污染物。生物质直燃锅炉由于燃料的特有性质,产生的大量低浓度的NOx烟气,导致大气污染、酸雨和光化学烟雾等严重危害 。 因此,研究生物质锅炉氮氧化物排放控制技术具有重要意义 。 

随着我国能源结构改革的不断深入,生物质能作为传统化石能源的替代和补充日渐被重视并利用,以达到保护矿产资源,保障国家能源安全,实现CO2减排,保持国家经济可持续发展的目的。随着建设规模和数量不断扩大和增加,其运行中带来的污染性排放,将对社会环境带来不可忽视的影响。 

我国是一个农业大国,秸秆资源丰富,生物质燃料燃烧排放的NOx含量较高。对于生物质燃料的燃烧,传统应用于燃煤锅炉的相关措施亦不完全适用,亟需研究高效的生物质锅炉烟气脱硝技术,在能源高效利用的同时降低NOx污染物的排放。 

1 NOx的形成机理及其影响因素 

氮氧化物是NO、N02、N20、N203、N204、N205等的总称,其中NO占90%,N02占5%—10%,N20仅占1%左右。因此NO和N02是造成大气污染的主要来源,脱硝主要目的就是降低NO和N02的生成。根据生物质燃料的燃烧机理,氮氧化物的生成途径主要有三种:燃料型、热力型及快速型3种,其中燃料型占NOx总生成量的60%—90%,热力型占20%左右,快速型通常占NOx排放总量的5%以下。 

燃料型NOx是由生物质燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成,燃料型NOx的形成通常包括挥发性NO与焦氮性NO两种途径。由于燃料中氮的热分解的温度低于燃料中碳元素燃烧温度,在600—800℃时,生物质燃料中的有机氮首先就被分解成HCN、NH3及CN等中间产物,然后再被氧化成NO,这时就有燃料型NOx的形成。通常高温高压生物质锅炉炉膛的温度在1200℃以上,所以温度对燃料型NOx的影响较小。一般生物质燃料的含氮量、挥发分含量、着火阶段氧浓度等对燃料型NOx的影响较大。 

热力型NOx是由于供燃烧用的空气中的氮高温氧化而生成的NOx,与温度的关系很大。当T<1300℃时,NOx的生成量不大,而当T>1300℃时,T每增加100℃,反应速率增加6—7倍。由于常规高温高压生物质锅炉炉膛中心温度一般工况下不会超过1400℃,所以热力型NOx可控制在炉内NOx总量的20%以下。降低热力型NOx的主要措施为:降低主燃烧区的温度,避免局部高温;降低主燃烧区的氧浓度;减少烟气在高温区域的停留时间。 

快速型NOx是在贫氧环境下,分子氮与碳氢自由基发生反应产生的,其中间产物是氰化物。所谓的快速型NOx是与燃料型NOx的缓慢反应速度而言的,其生成量受温度的影响不大,而受压力影响比较显著且成0.5次方的比例关系。快速型NOx一般產生于CHi原子团较多、氧浓度相对较低的富燃料燃烧情况。因此,影响快速型NOx生成的主要因素是过量空气系数和燃烧温度。 

2生物质锅炉氮氧化物排放控制技术 

2.1低氧燃烧 

低氧燃烧技术一般是在尽可能接近理论空气量的前提下,降低输入生物质锅炉的空气量。一般情况下可降低NOx排放15%—20%。但如果炉内的氧量过低(一般在3%)以下,生物质燃料就会不完全燃烧,CO浓度和飞灰含碳量急剧增加,增大化学不完全和机械不完全损失,降低了锅炉效率。同时,炉内产生的还原性气氛,会降低水冷壁附近灰的融点,引起水冷壁面结渣和高温腐蚀。 

2.2空气分级燃烧 

空气分级燃烧技术是将燃烧所需的氧分两次送入炉膛,第一次是向主燃烧区送入一般为80%左右的氧量,使主燃烧区形成“富燃料燃烧”,第二次在燃尽区向炉膛送入剩余的氧量,形成“富氧燃烧”。在富燃料阶段,由于氧量较低,抑制了热力型NOx的生成,同时,由于缺氧造成生物质燃料不完全燃烧所生成的中间产物(HCN和NH3),会还原已生成的NOx,减少燃料型NOx的生成。在富氧燃烧阶段,由于送入剩余的氧量,会使未燃尽的燃料烧殆尽,但由于此区域的温度较低,所以新生成的NOx量较小,总体上降低了N0x排放。 

2.3选择性非催化还原脱硝(SNCR)技术 

选择性非催化还原(SNCR)是在没有催化剂存在的条件下,在850—1100℃范围内利用还原剂将生物质燃烧后烟气中的NOx还原为无害的氮气和水。该技术一般采用氨或尿素为还原剂,还原剂通常注进炉膛或者紧靠炉膛出口的烟道,在高温下还原剂迅速热分解,并与烟气中的NOx进行还原反应生成N2和H20。最主要的化学反应方程式为: 

氨为还原剂:4NH3+4NO+O2 →4N2+6H20 

尿素为还原剂:(NH2)2CO →2NH2+C0;NH2+NO→N2+H20;CO+NO→N2+CO2

还原剂必须注入最佳温度区,以确保上述反应占主导;如果温度超过反应温度窗口,氨就会被氧化成NOx;如果温度低于所适宜的区间,残留的氨量将会增加。主要的副反应方程式如下: 

4NH3+5O2 →4N0+6H20 

生物质锅炉使用SNCR技术降低氮氧化物排放量时,脱硝率可达到75%,但是实际应用中,考虑到NH3损耗和NH3泄露等问题,SNCR的设计效率为50%左右。 

2.4选择性催化还原脱硝(SCR)技术 

选择性非催化还原(SCR)是目前国际上各类直燃锅炉普遍采用的减少NOx排放的方法,其脱硝效率能达到90%以上。SCR技术的基本原理是通过还原剂(如NH3)在适当的温度并有催化剂存在的条件下,把NOx转化为对大气中天然存在的N2 和H20。其主要反应方程式为: 

6NO+ 4NH3 →5N2+6H20;6NO2+ 8NH3 →7N2+12H20 

SCR技术脱硝效率高,理论上可接近100%的脱硝率。在商用生物质锅炉烟气SCR脱硝系统中,设计脱硝率可大于90%。由于维持这种高效率费用高,实际SCR系统的操作效率在70%~90%之间。由于技术的成熟和较高的脱硝效率,SCR技术已成为生物质电厂烟气脱硝的主流技术。 

结语 

目前亟需成熟的生物质燃料燃烧排放NOx控制技术,今后的研究应从NOx的产生机理出发,开发高效低成本的烟气脱硝后处理技术的研究,探索提高脱硝效率和降低环保成本的设计与方案,在解决我国能源窘境的同时,达到清洁生产的目的。

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